矫直辊渐开线花键轴头承载能力提升方案

赵岽

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

宽厚板矫直辊传递扭矩大，矫直速度高，通过万向接轴与辊子轴头连接进行传动。矫直辊轴头主要有渐开线花键轴头和双键槽轴头两种形式，渐开线花键轴头具有自动定心、联接精度高、拆装便捷、互换性好、运行平稳可靠的优点。由于外花键尺寸参数受轴颈尺寸的限制，其承载能力比双键槽轴头的承载能力低。在矫直过程中，花键受咬入冲击和加速度造成瞬间扭矩过大，会发生断齿现象，造成矫直辊因齿面修复困难而报废。因此结合双键槽轴头的结构特点对渐开线花键轴头进行改进，达到提升渐开线花键轴头的承载能力，延长辊子使用寿命，提高矫直能力。

1 同规格矫直辊两种轴头承载能力对比

以一台4300 mm宽厚板矫直机为例，按同规格矫直辊的两种轴头形式分别进行承载能力计算。矫直辊参数：

辊径D：220 mm

轴颈d0：130 mm

材料：60CrMoV

许用剪应力[τ]：180 MPa

屈服强度：≥750 MPa

抗拉强度：980～1050 MPa

1.1 渐开线花键轴头承载能力

配有渐开线花键轴头的矫直辊结构如图1所示。

轴头渐开线花键规格为：EXT25Z×5m×30P×6H/6f GB/T 3478.1—1995，轴伸l=180 mm，输入扭矩T1=20 kN·m。由计算可知，此规格外花键轴头满足输入扭矩20 kN·m承载能力要求[1]。

1.2 双键槽轴头承载能力

配有双键槽轴头的同规格矫直辊结构如图2所示。

双键槽轴头直径∅130k6，输入扭矩T2=30 kN·m，输入扭矩较大，轴头采用两个相隔180°的普通A型平键连接，键宽b=32 mm、键高h=18 mm、键长L=180 mm，键槽公差选用P9紧密连接，为提高键的许用挤压应力，键的材质采用42CrMo，经调质热处理，达到许用挤压应力σpp≥270 MPa。

1.2.1 按弯扭合成强度计算轴头直径

由于辊子设计结构、作用在轴头上载荷大小及位置已确定，可按弯扭合成法进行强度计算，并且计算结果是偏于安全的。

式中，d为轴头直径；M2为轴头受万向接轴附加载荷的弯矩；ψ为校正系数，取ψ=0.3；σ-1P为材料在对称循环状态下的许用弯曲应力，取σ-1P=90 MPa；D1为万向接轴外径，D1=250 mm。

由于轴头采用两个相隔180°的平键，轴径应增大7%，轴头直径d=130 mm，满足强度要求。

图1 配有渐开线花键轴头的矫直辊Figure 1 Straightening roll with involute spline shaft head

图2 配有双键槽轴头的矫直辊Figure 2 Straightening roll with double key groove shaft head

1—具有双键槽轴头的矫直辊 2—花键轴套 3—A型平键 4—连接螺栓图3 加装大规格渐开线花键轴套的矫直辊Figure 3 Straightening roll mounted with large-sized involute spline shaft sleeve

1.2.2 轴头扭转应力强度计算

轴头扭转应力强度τ为：

式中，K为键槽应力集中系数，取K=1.8。τ≤[τ]，轴头扭转应力满足强度条件。

1.2.3 键的挤压强度计算

键的挤压强度σp为：

σp≤σpp，键的挤压强度满足要求。

通过以上计算，双键槽轴头满足输入扭矩30 kN·m承载能力要求。

由以上计算结果可以看出，提高键的许用挤压应力后，同规格矫直辊的双键槽轴头承载能力比渐开线花键轴头承载能力大1.5倍左右。由于渐开线花键轴头的承载能力主要受齿根最大剪切应力的限制，而扭转与弯曲强度还有较大余度[1]，因此可结合两种轴头结构，在双键槽轴头基础上加装大规格渐开线花键轴套，以降低齿根最大剪切应力，提升承载能力。

2 渐开线花键轴头结构改进方案

2.1 改进方案

加装大规格渐开线花键轴套的矫直辊改进方案，如图3所示。

在具有双键槽轴头的矫直辊上，通过A型平键和连接螺栓，加装大规格渐开线花键轴套。考虑轴颈d0=130 mm、万向接轴外径D1=250 mm，对安装空间的限制，可选加大的渐开线花键规格：

EXT33Z×5m×30P×6H/6f GB/T3478.1—1995《圆柱直齿渐开线花键模数 基本齿廓 公差》，轴长l=180 mm。此方案结合两种轴头形式的特点，既有渐开线花键轴头自动定心、联接精度高、拆装便捷、互换性好、运行平稳可靠的优点，又有双键槽轴头较大的承载能力，结构简单、实用性强。

2.2 改进后渐开线花键轴套承载能力

由以上计算得出双键槽轴头满足输入扭矩为T2=30 kN·m承载能力的要求，故以此扭矩对花键强度进行计算。由于在实际使用中失效形式多为花键断齿，所以主要计算花键齿根剪切强度。

2.2.1 齿根剪切强度计算

(1)计算剪切应力

式中，K为较多齿渐开线花键系数，取K=0.3；Dee为外花键大径的基本尺寸，Dee=170 mm；Die为外花键小径的基本尺寸，Die=157.5 mm；dh为作用直径，经计算，dh=160.9 mm。

(2)计算齿根最大剪切应力

τFmax=τtn·αtn=111.2 MPa

式中，atn为应力集中系数，经计算，atn=3.03；ρ为齿根圆角半径，ρ=0.75 mm；h为全齿高，h=(Dee-Die)/2=6.25 mm。

(3)计算许用剪切应力

τFp=σFp/2=351.4/2=175.7 MPa

齿根许用弯曲应力σFp为：

σFp=σb/(SFK1K2K3K4)=351.4 MPa

式中，SF为安全系数1.1～1.5，取SF=1.2；K1为使用系数，取K1=1.25；K2为齿侧间隙系数，取K2=1.1；K3为分配系数，公差等级低于5级时为1.3～1.6，取K3=1.3；K4轴向偏载系数，取K4=1.3。

τFmax≤τFp，齿根剪切强度安全。

2.2.2 花键轴头扭转与弯曲强度计算

(1)计算当量应力

弯曲应力σFn为：

(2)计算许用应力

σvp=σs/(SFK1K2K3K4)=268.96 MPa

σv≤σvp，扭转与弯曲强度安全。

通过以上计算，EXT33Z×5m×30P×6H/6f GB/T 3478.1—1995外花键轴套满足输入扭矩30 kN·m承载能力要求。改进后的矫直辊轴头结构，相比于原EXT25Z×5m×30P×6H/6f外花键轴头的承载能力大幅提高。

3 结语

采用双键槽轴头加装大规格渐开线花键轴套的矫直辊轴头，结合了两种轴头形式的特点，矫直辊相比于原渐开线花键轴头的承载能力提高了1.5倍，结构简单、实用性强。矫直辊的传动是一个整体系统，提升轴头的承载能力只是其中的一个环节，要实现对矫直力矩的提升，还需全面提升整个传动系统的能力。